惠莞盖梁抱箍法施工及计算改2.docx
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惠莞盖梁抱箍法施工及计算改2
盖梁抱箍法施工及计算
一．施工设计说明
1、概况：
本标段全长12.285km，共设置大桥1座，中桥5座，分离式立交桥（含互通主线桥）7座，小桥1座。
其中下构为墩柱式盖梁结构的桥梁有大岭互通主线1号桥、大岭互通主线2号桥、刘屋村中桥、陈屋村中桥、东坑水库大桥、墩子头中桥、姚光村中桥、瓦窑岗中桥、赤沙分离式立交桥、东边迳分离式立交桥、大白小桥。
由于地基承载力不足及水中墩盖梁施工困难，所以本标段盖梁采用抱箍法施工。
本次计算选择本标段单位跨度盖梁自重最大的大岭互通主线2号桥54#墩左幅盖梁为例，验算盖梁施工中的抱箍应力是否达到施工要求。
54#墩为双柱式桥墩，墩柱中心距离为9.70m，上方盖梁长16.227m，宽2.3m，高1.8m，砼浇筑量为62.88m3。
2、设计依据
（1）交通部行业标准，公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）
（2）路桥施工计算手册人民交通出版社
（3）五金手册饶勃主编
（4）公路施工手册，桥涵（上、下册）交通部第一公路工程总公司
（5）盖梁模板提供厂家提供的模板有关数据
（6）我单位的桥梁施工经验
二．盖梁抱箍法结构设计
1、侧模与端模支撑
侧模为特制大钢模，面模厚度为δ6mm，肋板高为10cm，在肋板外设[10背带。
在侧模外侧采用间距为1m的[10竖带，竖带高2.1m；在竖带上下各设一条Ф16的栓杆作拉杆，上下拉杆间间距为1.9m,在竖带外设Ф48的钢管斜撑，支撑在横梁上。
端模为特制大钢模，面模厚度为δ6mm，肋板高为10cm，在肋板外设[10背带。
端模外则由特制三角架背带支撑，空隙用木楔填塞。
2、底模支撑
底模为特制大钢模，面模厚度为δ8mm，肋板高为10cm。
在底模下部采用间距0.4m工16型钢作横梁，横梁长为4.5m。
盖梁悬出端底模下设三角支架支撑，三角架放在横梁上。
横梁底下设纵梁。
横梁上设钢垫块以调整盖梁底2%的横向坡度与安装误差。
与墩柱相交部位采用特制钢支架作支撑。
3、纵梁
在横梁底部采用两根45#工字钢作为纵梁，单根纵梁长19m。
纵梁在墩柱外侧用[10槽钢连接，使纵梁形成整体，增加稳定性。
横梁与纵梁采用U型螺栓连接；纵梁下为砂箱和抱箍。
4、砂箱和抱箍
砂箱采用板厚t＝16mm钢板制作，砂箱为40*30cm，每个砂箱设有泄砂孔。
制作砂箱前，砂先烘干后装箱，每个砂箱预压600KN。
抱箍采用两块半圆弧型钢板（板厚t＝16mm）制成，M24的高强螺栓连接，抱箍高50cm，采用16根喷砂后涂无机富锌漆的16Mn钢高强螺栓连接。
抱箍在墩柱上产生摩擦力提供上部结构的支承反力，是主要的支承受力结构。
为了提高墩柱与抱箍间的摩擦力，同时对墩柱砼面保护，在墩柱与抱箍之间设一层2~3mm厚的橡胶垫。
5、工作平台与防护栏杆
（1）工作平台设在横梁悬出端，在横梁上铺设2cm厚的木板，木板与横梁之间采用铁丝绑扎牢靠。
（2）工作平台栏杆采用Ф50的钢管搭设，在横梁上每隔2m设一道1.2m高的钢管立柱，竖向间隔0.5m设一道钢管立柱，钢管之间采用扣件连接。
立柱与横梁的连接采用在横梁上设0.2m高的支座。
钢管与支座之间采用插销连接。
三．主要工程材料数量汇总表
见表一。
序号
项目及名称
材料规格
单位
数量
备注
一
侧模支撑
1
竖带
槽钢[10
kg
1300
2
栓杆
φ16
kg
131
两端带丝型
3
钢管斜撑
钢管φ48
m
48
计48个
4
螺帽
用于φ16栓杆
个
64
5
垫板0.1×0.1米
钢板δ=10mm
kg
50.24
计块每块
二
底模支撑
1
横梁
16#工字钢
kg
2860
计56根
2
三角架
槽钢[10
kg
600
计2个
3
特制钢架
16#工字钢
kg
533
计2个
4
联接用螺栓
φ16
个
24
螺栓带帽
5
联接用钢板
钢板δ=10mm
kg
28.26
6
钢垫块
钢板δ=20mm
kg
2325
每横梁上布3个
三
纵梁
1
型钢
45#工字钢
kg
3325
2
连接槽钢
[10
kg
50
四
砂箱
计4个
1
砂箱桶钢板
钢板δ=16mm
kg
85
计4个
2
砂箱盖板
钢板δ=20mm
kg
75
计4个
五
抱箍
共计2套
1
抱箍桶钢板
钢板δ=16mm
kg
782
2
上盖筋板
钢板δ=20mm
kg
75
3
下盖筋板
钢板δ=10mm
kg
38
4
中部筋板
钢板δ=10mm
kg
38
5
加强筋板
钢板δ=8mm
kg
75.36
6
加强筋板
钢板δ=14mm
kg
105.5
7
高强螺栓
φ24长100mm
个
32
8
橡胶垫
厚2～3mm
㎡
5
六
护栏与工作平台
1
栏杆架
钢管φ50
m
78
2
栏杆支座
钢管φ60
m
3.2
3
安全网
㎡
42
4
木板
厚2cm
㎡
24
5
扣件
个
32
说明：
主要工程材料数量是以单个盖梁需用量考虑。
四．盖梁抱箍法施工设计计算
（一）侧模支撑计算
1、力学模型
假定砼浇筑时的侧压力由拉杆和竖带承受，Pm为砼浇筑时的侧压力，T1、T2为拉杆承受的拉力，计算图式如图4-1所示。
2、荷载计算
砼浇筑时的侧压力：
Pm=Kγh
式中：
K---外加剂影响系数，取1.2；
γ---砼容重，取26kN/m3；
h---有效压头高度。
砼浇筑速度v按0.3m/h，入模温度按20℃考虑。
则：
v/T=0.3/20=0.015<0.035
h=0.22+24.9v/T=0.22+24.9×0.015=0.6m
Pm=Kγh=1.2×26×0.6=19kPa
图4-1侧模支撑计算图式
砼振捣对模板产生的侧压力按4kPa考虑。
则：
Pm=19+4=23kPa
盖梁长度每延米上产生的侧压力按最不利情况考虑（即砼浇筑至盖梁顶时）：
P＝Pm×（H－h）+Pm×h/2=23×1.2+23×0.6/2=34.5KN
3、拉杆拉力验算
拉杆（φ16圆钢）间距1.0m，1.0m范围砼浇筑时的侧压力由上、下两根拉杆承受。
则有：
σ=（T1+T2）/A=1.0×P/2πr2
=1.0×34.5/2π×0.0082=85838kPa=86MPa<[σ]=160MPa（满足）
4、竖带抗弯与挠度计算
设竖带两端的拉杆为竖带支点，竖带为简支梁，梁长l0=1.9m，砼侧压力按均布荷载q0考虑。
竖带[10的弹性模量E=2.1×105MPa;惯性矩Ix=198.3cm4;抗弯模量Wx=39.7cm3
q0=23×1.0=23kN/m
最大弯矩：
Mmax=q0l02/8=23×1.92/8=10kN·m
σ=Mmax/2Wx=10/（2×39.7×10-6）
=125845≈126MPa<[σw]=160MPa（满足）
挠度：
ƒmax=5q0l04/384×2×EIx=5×23×1.94/（384×2×2.1×108×198.3×10-8）=0.0047m≈[ƒ]=l0/400=1.9/400=0.0047m
5、关于竖带挠度的说明
在进行盖梁模板设计时已考虑砼浇筑时侧向压力的影响，侧模支撑对盖梁砼施工起稳定与加强作用，为了确保砼浇筑时变形控制在允许范围，同时考虑一定的安全储备，在竖带外设钢管斜撑。
钢管斜撑两端支撑在模板中上部与横梁上。
因此，虽然竖带的计算挠度约等于允许值，但实际上由于上述原因和措施，竖带的实际挠度会有一定的富余，能保证稳定性。
（二）横梁计算
采用间距0.4m工16型钢作横梁，横梁长4.5m。
在墩柱部位横梁设计为特制钢支架，该支架由工16型钢制作，每个墩柱1个，每个支架由两个小支架栓接而成。
故共布设横梁31个，特制钢支架2个（每个钢支架用工16型钢13m）。
盖梁悬出端底模下设特制三角支架，每个重约3KN。
1、荷载计算
（1）盖梁砼自重：
G1=62.88m3×26kN/m3=1635kN
（2）模板自重：
G2=120kN（根据模板设计资料）
（3）侧模支撑自重：
G3=48×0.168×1.5+5=17kN
（4）三角支架自重：
G4=3×2=6kN
（4）施工荷载与其它荷载：
G5=15kN
横梁上的总荷载：
GH=G1+G2+G3+G4+G5=1635+120+17+6+15=1793kN
qH=1793/16.23=110.5kN/m
横梁采用工16型钢，则作用在单根横梁上的荷载
GH’=110.5×0.4=44kN
作用在横梁上的均布荷载为：
qH’=GH’/lH=44/2.3=19kN/m（式中：
lH为横梁受荷段长度，为2.3m）
2、力学模型
如图4-2所示。
图4-2横梁计算模型
3、横梁抗弯与挠度验算
工16型钢的弹性模量E=2.1×105MPa;惯性矩I=1127cm4;抗弯模量Wx=140.9cm3
最大弯矩：
Mmax=qH’lH2/8=19×2.32/8=12.7kN·m
σ=Mmax/Wx=12.7/（140.9×10-6）
=90167≈90MPa<[σw]=160MPa（可）
最大挠度：
ƒmax=5qH’lH4/384×EI=5×19×2.34/（384×2.1×108×1127×10-8）=0.0029m<[ƒ]=l0/400=2.3/400=0.0058m（满足）
（三）纵梁计算（忽略纵梁自重）
在横梁底部采用两根工45b型16Mn钢作为纵梁，单根纵梁长19m。
1、荷载计算
（1）横梁自重：
G6=4.5×0.205×31+2×13×0.205=34kN
纵梁上的总荷载：
GZ=G1+G2+G3+G4+G5+G6=1635+120+17+6+15+34=1827kN
纵梁所承受的荷载假定为均布荷载q：
q=GZ/L=1827/16.23=113kN/m
单根工45b型钢所承受的均布荷载为：
q′=q/2=56.5kN/m
2、力学计算模型
建立力学模型如图4-3所示。
图4-3纵梁计算模型图
3、结构力学计算
工45b型钢的弹性模量E=2.1×105MPa;惯性矩I=33759cm4;抗弯模量Wx=1500.4cm3
根据结构力学可知，纵梁的最大弯矩发生在梁中点：
MC=q′l1（l2+l1/2）×{[1-l2/（l2+l1/2）]×（1+2l2/l1）-（l2+l1/2）/l1}/2
=56.5×9.7×8.11×[（1-3.26/8.11）×（1+6.52/9.7）-0.84]/2
=56.5×9.7×8.11×0.16/2=356KN·m
σ=Mmax/Wx＝356/（1500.4×10-6）＝237MPa>[σ]=210MPa
4、由以上计算结果中知，纵梁不能满足抗弯要求。
为了减少纵梁中部弯矩，在纵梁中部增加贝雷片（300cm×150cm）支撑。
从设计图纸可知，54#墩柱平均高7.7m，因此采用5层两排贝雷片，每层两排贝雷片用150cm×150cm连接片连接。
每层贝雷片纵横对中叠放，用U型螺栓连接。
顶层加加强弦杆（高度10cm），与纵梁相交，空隙采用木楔和钢板填塞。
重新建立力学模型如图4－4所示
图4-4纵梁计算模型图
（1）计算支座反力RC：
第一步：
解除C点约束，计算悬臂端均布荷载与中间段均布荷载情况下的弯矩与挠度
C点位移量：
ƒc′=-q′a2（2l）2/16EI
ƒD′=ƒE′=（q′a3（2l）+5q′l2）（2+a/2l）/8EI
C点位移量：
ƒc″=5q′（2l）4/384EI
第二步：
计算C点支座反力RC作用下的弯矩与挠度
ƒc=-Rc（2l）3/48EI
第三步：
由C点位移为零的条件计算支座反力RC
由假定支座条件知:
∑fc=0
-Rc（2l）3/48EI-q′a2（2l）2/16EI+5q′（2l）4/384EI=0
求得：
Rc＝2.694q′
（2）计算支座反力RA、RB
由静力平衡方程解得
RA=RB=[2（l+a）-2.694]q′/2
（3）弯矩图
根据叠加原理，绘制均布荷载弯矩图：
（4）纵梁端最大位移
ƒD=ƒE=q′a（2l）3（6a2/（2l）2+3a3/（2l）3-1）/24EI
=q′×3.3×9.73×（6×3.32/9.72+3×3.33/9.73-1）/24EI
=-23.5q′/EI
5、纵梁结构强度和挠度验算
（1）根据以上力学计算得知，最大弯矩出现在A、B支座，代入q′后
MB=5.445q′=5.445×56.5=308kN·m
σ=Mmax/Wx=308/（1500.4×10-6）
=205040≈205MPa<[σw]=210MPa（满足）
（2）贝雷片支撑架的稳定性
纵梁中点C的弯矩：
Mc＝1.579q′＝1.579×56.5＝90kN·m
查《公路施工手册桥涵》第923页，单排单层贝雷桁片的允许
弯矩[Mo]为975kN·m，故此支撑架能满足要求。
（3）最大挠度发生在盖梁端
ƒmax=23.5q′/EI
＝23.5×56.5/（2.1×108×33759×10-8）
=0.019m
[ƒ]=a/400=3.3/400=0.008m
（4）纵梁跨度中点挠度
ƒAC=ƒCB=0.521×q′l4/100EI
=0.521×56.5×4.854/（100×2.1×108×33759×10-8）
=0.0023m
[ƒ]=l/400=4.85/400=0.012m
6、关于纵梁计算挠度的说明
由于ƒmax>[ƒ],计算挠度不能满足要求。
计算时按最大挠度在梁端部考虑，由于盖梁悬出端的砼量较小，悬出端砼自重产生荷载也相对较小，考虑到横梁、三角支架、模板等方面刚度作用，实际上梁端部挠度要小于计算的ƒmax值。
实际施工时，可先在梁端设置多个观测点，监测施工过程中的沉降情况，据此确定是否需要预留上拱度。
如果需设置预拱度时，根据情况采取按梁端部为预留上拱度最大值，在梁端部预留2cm的上拱度并递减至墩柱部位的办法解决。
（四）砂箱和抱箍计算
1、砂箱预压力计算
（1）纵梁自重：
G7=2×19×0.875+2×2.5×0.1=38kN
砂箱上的总荷载：
GZ=G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7=1635+120+17+6+15+34+38=1865kN
则分配到每个砂箱的荷载：
Gs=Gz/4=1865/4=466KN
因此，按安全系数1.3考虑，每个砂箱最先预压600KN，并在安装前用绑丝将箱盖临时固定，避免搬运时晃动而导致预压力损失。
2、抱箍计算
（1）、荷载计算
每个盖梁按墩柱设二个抱箍体支承上部荷载，由上面的计算可知：
每个抱箍承受的竖向压力N：
N=2RA+G7/2
=2×[2（4.85+3.3）-2.694]×56.5/2+19=789kN
以最大值为抱箍体需承受的竖向压力N进行计算，该值即为抱箍体需产生的摩擦力。
（2）、抱箍受力计算
①螺栓数目计算
抱箍体需承受的竖向压力N=789kN
抱箍所受的竖向压力由M24的高强螺栓的抗剪力产生，查《路桥施工计算手册》第426页：
M24螺栓的允许承载力：
[NL]=Pμn/K
式中：
P---高强螺栓的预拉力，取225kN;
μ---摩擦系数，取0.4；
n---传力接触面数目，取1；
K---安全系数，取1.7。
则：
[NL]=225×0.4×1/1.7=52.9kN
螺栓数目m计算：
m=N’/[NL]=789/52.9=14.9≈15个，取计算截面上的螺栓数目m=15个。
则每条高强螺栓提供的抗剪力：
P′=N/15=789/15=52.6KN≈[NL]=52.9kN
故能承担所要求的荷载。
②螺栓轴向受拉计算
砼与钢之间设一层橡胶，按橡胶与钢之间的摩擦系数取μ=0.4计算
抱箍产生的压力Pb=N/μ=789kN/0.4=1973kN由高强螺栓承担。
则：
N’=Pb=1973kN
抱箍的压力由16条M24的高强螺栓的拉力产生。
即每条螺栓拉力为
N1=Pb/16=1973kN/16=123kN<[S]=225kN
σ=N”/A=N′（1-0.4m1/m）/A
式中：
N′---轴心力
m1---所有螺栓数目，取：
16个
A---高强螺栓截面积，A=4.52cm2
σ=N”/A=Pb（1-0.4m1/m）/A=1973×（1-0.4×16/15）/16×4.52×10-4
=156414kPa=156MPa＜[σ]=200MPa
故高强螺栓满足强度要求。
③求螺栓需要的力矩M
1）由螺帽压力产生的反力矩M1=u1N1×L1
u1=0.15钢与钢之间的摩擦系数
L1=0.015力臂
M1=0.15×132×0.015=0.297KN.m
2）M2为螺栓爬升角产生的反力矩,升角为10°
M2=μ1×N′cos10°×L2+N′sin10°×L2
[式中L2=0.011（L2为力臂）]
=0.15×132×cos10°×0.011+132×sin10°×0.011
=0.470（KN·m）
M=M1+M2=0.297+0.470=0.767（KN·m）
=76.7（kg·m）
所以要求螺栓的扭紧力矩M≥77（kg·m）
（3）抱箍体的应力计算：
1、抱箍壁为受拉产生拉应力
拉力P1=7.5N1=7.5×132=990（KN）
抱箍壁采用面板δ16mm的钢板，抱箍高度为0.5m。
则抱箍壁的纵向截面积：
S1=0.016×0.5=0.008（m2）
σ=P1/S1=990/0.008=124（MPa）＜[σ]=140MPa
满足设计要求。
2、抱箍体剪应力
τ=（1/2RA）/（2S1）
=（1/2×789）/（2×0.008）
=39MPa<[τ]=85MPa
根据第四强度理论
σW=（σ2+3τ2）1/2=（1242+3×392）1/2
=130MPa<[σW]=145MPa
满足强度要求。
（五）纵梁稳定临界计算
1、从图纸可知，大岭互通54#墩为本标段墩柱间距最大桥墩之一，盖梁单位自重比最大。
在以上的计算中发现，盖梁抱箍法支架中，纵梁在中部没有支撑时，其抗弯应力不能满足要求。
因此，现在通过以大岭互通54#墩左幅盖梁为基准，计算纵梁的临界点，以确定纵梁是否需要增加中部支撑。
2、计算纵梁屈服点
（1）计算屈服点位置
假设从梁端至屈服点距离为ⅹ，则：
Mⅹ＝q′l1ⅹ×[（1-l2/ⅹ）×（1+2l2/l1）-ⅹ/l1]/2＝Wx·[σ]
56.5×9.7ⅹ×[（1-3.26/ⅹ）×（1+2×3.26/9.7）-ⅹ/9.7]/2
＝Wx·[σ]＝1500.4×10-6×210×106＝315.08KN
ⅹ2-16.20ⅹ+63.92＝0
解方程得：
ⅹ1＝6.8mⅹ2＝9.4m
由此可知，在q′的均布荷载作用下，纵梁中部2.6m范围抗弯应力不能满足要求，即同在q′的均布荷载作用下，墩柱间距缩短2.6m，纵梁就能满足抗弯应力要求。
建立力学模型如图5-1所示：
图5-1纵梁计算模型图
（3）计算梁中点的挠度
从力学结构可知，梁中点挠度最大，则
ƒC’=q′（2l’）4[5-24a2/（2l’）2]/384EI
=56.5×7.14×（5-24×3.32/7.12）/（384×2.1×108×33759×10-8）
=0.001m<[ƒ]=l’/400=3.55/400=0.009m（满足）
3、建立纵梁稳定临界公式
由以上计算结果，我们拟定单根纵梁在q′的均布荷载作用下，墩柱间距7.1m时，纵梁处于临界状态。
因此我们假定纵梁上其他荷载GZ’（GZ’=G2+G3+G4+G5+G6=192KN）不变，建立盖梁单位自重比ξ：
ξi＝Gi/（n2·L）
Gi――盖梁自重
n――墩柱的数目
L――盖梁的长度
[ξ]＝[2q′（2l）-GZ’]/（n2·L）=（56.5×13.7×2-192）
=1356.1/（22×13.7）=24.75
通过上述计算，以及对多个盖梁的验算证明，本标段采用盖梁抱箍法施工中，当ξ≤[ξ]时，纵梁中部不需要增加支撑。
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